基于DELMIA的工艺仿真在工法设计中的应用

罗 金，万 莉，慈元茂

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

0 引言

近年来现代重工、三菱重工、川崎等知名造船公司加大了数字化技术应用的力度，建立基于模型的定义（Model Based Definition，MBD）的船舶设计模式，节约了设计建造成本，缩短了船舶建造周期，成为日韩船企的杀手锏，也给中国造船业带来巨大压力[1]。研究虚拟装配、现场可视化等符合国内船企的虚拟建造设计技术，快速赶上日韩先进船企的现代造船水平，通过数字化设计技术，实现三维模型在制造过程中的传递，将极大提高产品制造效率和制造质量。虚拟建造技术具有非常重要的工程应用价值。

1 创建装配工艺计划

1.1 创建工艺库

工艺库（process library）是DELMIA中存储工艺宏观设计的文件，根据装配流程图（Detail Assembly Procedure，DAP）的建造流程（或者是建造仿真的规划），在工艺库中写入各个工序的名称、设置工序相关属性并组织其层次，形成以.act为后缀的工艺库文件，供后期仿真使用。工艺库中的工序指的是一个（或一组）工人在一个工作地点对一个（或几个）劳动对象连续进行生产活动的综合，是组成生产过程的基本单位。一个装配工序下有若干个工步，一个工步下有若干个装配操作，一个装配操作下有若干个装配动作。工序、工步、装配操作均由Activity节点表示，装配动作由MOVE动作、抓取动作来实现。工序的划分，以中小组立的工作地是否改变作为依据，对于同一个工序的操作者，工作地和劳动对象是固定不变的，如果有一个要素发生变化，就构成了另外一道工序[2]。图1是通过工艺库创建的某LNG船小组立的工艺库文件。

图1 某LNG船AH3L小组立工艺库创建

1.2 创建工艺计划

创建装配工艺计划，即工艺顺序规划，是在DPM 装配仿真环境下建立起一系列完整的装配工艺，表现为针对各级中间产品，建立起每一个步骤的操作工艺，并且建立起它们之间的前后或并列关系，为每个操作的工艺活动指派对应的产品对象或资源项目。创建工艺装配计划对于装配计划制定以及装配工艺的优化是一件非常有意义的基础性工作，这个工作一旦做好了，很多工作都可以在此基础上进行深化和细致的开展。工艺计划一旦制定了，就可以将其存储在数据库中，以便其他工程项目的调用和细化，图2和图3展示了为某LNG船典型中间产品创建工艺计划。

图2 插入工艺库

图3 创建工艺活动

装配工艺活动之间的操作顺序关系设置可以在PERTChart流程图内进行，通过选择“数据视图”工具栏中的“PERTChart”命令进入。它是一种图形化方式表现的流程图，通过“插入”菜单或者“活动管理”工具栏中的“连接活动”命令，可以让操作者以直观、动态和友好的交互方式完成活动顺序的排序和更改，形成完整的串并联活动流程图，操作结果将直接反映在 PPR结构树的工艺活动列表中，如图4所示[3]。

图4 典型中间产品前后工艺活动的调整

工艺顺序定义好之后，可为每个活动指派产品对象或者资源项目。不同的中组立、小组立可以在这个阶段指派给不同的工艺步骤，通过“Unassigned Products”核查哪些产品或者资源没有进行工艺指定或分派。

1.3 检查工艺过程

在仿真开始之前，一般要先用工艺流程确定（process verification）来对工艺和产品的关系做一次检查确认，如图5所示。工艺流程确认功能允许设计人员按照工艺流程计划来确认工艺流程顺序，通过这个过程可以直观地看到各个组立的工艺工作。

图5 典型中间产品工艺过程的检查

2 创建装配仿真运动

可行的装配工艺流程，应该让每个零部件在装配过程中都具有可行的装配路径，不会与其他中小组立或是工艺设备发生碰撞，以保证装配工作的有序进行。因此装配流程工艺的建立，并不代表装配工艺规划已结束，需要利用装配仿真运动，对船舶中间产品流程的可行性进行反复的分析与评估，避免将不可行的工艺流程下发给现场，造成不必要的返工和损失。在仿真过程中一旦发现零件装配的碰撞与干涉情况，就需要立即对工艺流程进行调整，直到虚拟建造工艺优化至完全顺畅可行。

在DPM中，零部件仿真活动的设计主要通过为每个活动创建“Move Activity”来实现，如图6所示，系统可以在零部件活动过程中记录其运动轨迹。同时，利用碰撞干涉检查功能，可以检查零部件在运动过程中是否与其他对象发生碰撞，从而及时调整运动轨迹。通过罗盘等方式来确定物体的行动轨迹和行动的方向。

图6 小组立拼板吊装活动创建

虚拟建造仿真在原理上可以做到现场建造情景的完全映射。例如，半门吊空程时行走速度约1 m/s，吊装物体时行走速度约 0.5 m/s。在虚拟建造仿真时，可以为半门吊不同的工艺活动创建不同的行走速度，图7与图8分别是半门吊空程行走至钢板堆放工位，以及半门吊吊装钢板时的行走过程。

图7 半门吊空程行走工况下速度的定义

图8 半门吊钢板吊装工况下速度的定义

如图9所示，在创建仿真的过程中，还要利用干涉检查命令实时检查零部件在装配过程中，是否存在结构与结构之间、结构与设备之间的干涉与碰撞情况。其中1代表碰撞检测关闭，在该模式下即使有干涉发生，系统也不会作出提示，2表示碰撞检测打开，在该模式下如果有干涉，干涉的区域会以高亮的红色显示出来。3表示的是碰撞检测停止，在该模式下如果发生干涉，系统仿真会停止，并且高亮显示发生干涉的区域。根据干涉检查结果，设计人员可以及时对仿真干涉区域进行修改，达到优化工艺或装配路径的目的。

图9 虚拟建造仿真过程中打开碰撞干涉检查命令

3 设置增强仿真运动

为了加强装配工艺过程展示的真实性与实用性，除了科学合理的装配工艺设计以外，还需要对装配工艺设计流程进行信息扩容，以帮助施工人员更快地理解设计者的意图，并且掌握更多的施工工艺细节。为了实现上述目的，就需要对装配工艺活动进行信息的增强设计，例如增加显示文本信息、变换视角、暂停和延时、隐藏对象、超链接等活动。

3.1 插入3D文字

如图10所示，利用3D文字标注功能，设计人员能够在任何几何体上创建他们想要标注的文字，可以对文字自由地进行字号更换和颜色更换，还可以调整文字的位置。设计人员通过3D文字注释功能，可以提供更多更丰富的信息，提示重要的施工节点和信息，帮助工人更快更方便地理解整个工艺流程。

图10 工艺仿真的过程中插入3D文字信息

3.2 变化视角

变化视角的操作对于仿真工艺设计来说极为重要，如果不变化视角，仿真活动就会以当前视角一直持续下去，这对于某些细节的仿真观察是不利的，对于给施工人员展示整个中间产品建造工艺重点方面也带来不便，更不利于观察某些零部件的装配工艺细节。如图11所示，采用变化视角的功能可以帮助设计人员在选定的时间内进行变化视角的操作。

图11 工艺仿真过程中变化视角操作

3.3 创建可见性活动

可见性活动允许设计人员隐藏、显示几何体或设备资源，使设计重点更为突出。此外，对于突然出现或消失的人员/工具装备等，其进出仿真场景的路线可以被隐藏起来。如图12所示，在AH3L拼板工艺设计过程中，工人利用埋弧自动焊机完成了拼板工作，如果不想表达工人搬运焊机的动作，就可以将埋弧自动焊机进行隐藏操作，以方便进入下一个的工序流程的表达。

图12 拼板工艺结束后埋弧拼板焊机的隐藏操作

3.4 添加文本框信息

文字信息工具允许设计人员在仿真过程中创建文字信息提示，这类文字信息提示以对话框的形式出现，文字信息提示对于交互式作业指导书的设计是极为有用的。如图13所示，某纵绗小组立在装配纵骨的时候，就可以设置文字提醒信息，告诉施工人员接下来要装配的 3个纵骨的零件号分别是什么。通过对话框的使用，三维工艺设计让工人具有很强的操作代入感，工人点击对话框上的确定按钮以后，就可以继续展开下一步的装配操作。

图13 组立装配过程文本框代入感设计

3.5 创建暂停和延迟活动

在不停止仿真的情况下，可以通过设置暂停或者延迟来控制仿真的进度，暂停使仿真处于停止状态，延迟让工艺仿真在一定的时间内保持当前状态，这些功能使得建造工艺仿真更有节奏感，提升工人的理解效率。如图14所示，在进行小组立纵骨装配过程仿真的时候，通过延迟和隐藏功能的叠加使用，可以达到让纵骨防倾倒工装显示一段时间后再消失的效果，从而对纵骨装配过程中的纵骨防倾倒安全措施进行显著的提示。

图14 小组立纵骨装配仿真中通过延迟活动来展示防倾倒工装使用

4 仿真工艺文件输出

4.1 工时文件的输出

在三维工艺文档设计中，还需要用到一系列的仿真结果文件，因此需要对工艺组合（Procedure Bill of Material，PBOM）模型中的仿真结果文件进行输出。传统的工艺设计很难输出工时定额，但是经过虚拟建造仿真的设计却能轻易做到。DELMIA中的甘特图是一种基于作业顺序，把作业工序和时间联系起来的图表，通常以活动作为纵坐标，用来表示工艺流程的开始时间、结束时间以及持续时间，也就是说不仅仅可以看到一个工序的时间，也可以看到每一个工序下工步的操作时间。如图15所示，将工艺过程的工时以甘特工时数据图表的形式输出。获得准确甘特图的前提是虚拟装配模拟过程的时间设置必须非常细致和准确，这也从一个侧面说明，只要施工的工艺足够标准和固化，是可以通过设计手段计算出每一个工序、工步的施工作业时间的[4]。

4.2 仿真视频的输出

利用 DELMIA本身的视频输出工具或者录屏软件可以对建造工艺过程进行视频记录，利用DELMIA自带的录屏工具，输出的视频文件是AVI格式，视频的清晰度与视频文件的大小存在正比关系，因此在不影响显示效果的前提下，一般利用录屏软件对仿真工艺过程进行录屏操作，然后输出体积较小，显示效果较好的视频文件。见图16。

4.3 装配工艺树的输出

利用 DELMIA，通过插入前期设计好的PRODUCT文件、资源设备，根据工法策划设定的工艺阶段，将产品树、资源树和工艺树中相对应的节点建立起联系，最终完成PBOM树的构建。在具体的施工工艺设计中，体现为建立了结构、舾装件、工装件和作业工序的关联关系，形成了“产品-资源-工艺”的一体化递进式工艺设计体系，如图17所示，通过一定的接口，可以将产品树、资源树、工艺树进行输出，方便对虚拟建造设计过程中的各项资源进行查看

图17 装配工艺树的输出

5 结论

1）基于MBD的三维工艺设计，采用一种所见即所得的递进式设计手段来处理工艺规划问题，利用虚拟仿真等技术，将各种设备资源以及施工人员进行建模和建造流程预演，可以让工艺更为贴近生产实际。

2）由于船舶具有复杂的装配结构，设计师一般很难考虑到各层次、各方面的问题，凭借经验获得的装配工艺一般不是最优解，将虚拟装配技术应用到船舶建造的装配工艺设计中，可以在船舶生产设计阶段就对零部件之间的配合和可装配性进行分析和验证，有效解决当前装配工艺设计中存在的问题，确保现场施工顺利进行，减少甚至避免返工。

3）传统的工艺信息是通过文档形式下发到车间、班组，工艺信息内容是描述性的，无法准确表达每个工序、工步的具体工作活动，容易造成现场的理解偏差。通过虚拟建造技术的使用，基于虚拟装配生成的三维装配工艺文档以装配动画和辅助说明文字共同对装配工序进行描述，可以准确清晰地为现场的装配工人展示装配工艺信息，帮助施工人员更容易地理解工艺内容，从而提高船舶建造的效率。